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1、模拟电子线路基础,第9章 电流模电路,本章简介,电流模电路理论和技术是模拟电子学新的重大发展,尽管电流模电路来源于电压模电路,但其理论和技术的发展及应用，令现代模拟集成电路与系统的设计和应用发生了重大的进展,用电流模技术设计制作的模拟集成电路容量大、速度快、精度高、频带宽、线性好、效率高,其性能远优于电压模电路。随着对电流模电路研究的深入，电流模器件将越来越受到重视，应用更广泛。本章先阐述电流模电路的基本概念，再讨论电流模电路的集中常用基本单元电路的原理和分析方法，最后介绍采用电流模技术设计的高性能模拟集成电路。,9.1 电流模电路基本概念,9.2 跨导线性电路,9.3 电流镜及电流传输器,9
2、.4 电流模集成运算放大器与乘法器,9.1 放大电路基本工作原理,9.1.1 电流模电路的特点 9.1.2 电流模基本单元电路,(1)电路输入端和输出端的阻抗电平不同,以电流为参量来处理模拟信号的电路,9.1 放大电路基本工作原理,若电路输入、输出均为电流，其中除PN结电压外，无其它电压参数的电路，称为“严格”的电流模电路,主要特点：（与电压模电路比较）,(2)动态范围大,(3)速度快、频带宽,(4)非线性误差和失真小,9.1.1 电流模电路的特点,如 理想电压放大电路，Ri，Ro0；理想电流放大电路，Ri0，Ro。可见，在网络中阻抗很低节点上，主要表现为电流关系。,9.1 放大电路基本工作原
3、理,主要特点：（与电压模电路比较）,(2)动态范围大,(3)速度快、频带宽,(4)非线性误差和失真小,(1)电路输入端和输出端的阻抗电平不同,9.1.1 电流模电路的特点,(4)非线性误差和失真小,(2)动态范围大,主要特点：（与电压模电路比较）,9.1.1 电流模电路的特点,(3)速度快、频带宽,9.1 放大电路基本工作原理,(1)电路输入端和输出端的阻抗电平不同,(3)速度快、频带宽,主要特点：（与电压模电路比较）,9.1.1 电流模电路的特点,(2)动态范围大,(4)非线性误差和失真小,(1)电路输入端和输出端的阻抗电平不同,9.1 放大电路基本工作原理,(4)非线性误差和失真小,器件电
4、流传输特性的非线性失真小，对温度变化不灵敏，传输精度高。,主要特点：（与电压模电路比较）,9.1.1 电流模电路的特点,(2)动态范围大,(3)速度快、频带宽,(1)电路输入端和输出端的阻抗电平不同,9.1 放大电路基本工作原理,9.1.2 电流模基本单元电路,9.1 放大电路基本工作原理,构成各种功能模拟集成电路与系统,(1)跨导线性电路(TL电路),广泛用于各种电流量之间线性、非线性运算与变换功能电路与系统中。,(2)电流镜(CM)与电流传输器(CC),广泛用于偏置电流源、有源负载及电流量精确传输电路与系统中。,(3)开关电流电路(又称动态电流镜),广泛用于电流源滤波器、开关电流D/A和A
5、/D转换器，各种数据采集集成电路与系统中。,(4)支撑电路,广泛用于电流模电路对电流信号处理前、后的前、后端电路。如V/I、I/V，线性互导、互阻放大电路。,9.2 跨导线性电路,跨导线性基本概念 跨导线性环路原理 共基放大电路,互补推挽电流模单元电路,吉尔伯特电流增益单元电路,乘法单元电路和可变电流增益单元电路,9.2.1 跨导线性基本概念,9.2 跨导线性电路,BJT：vBE-激励信号，iC为响应信号，则,iC-激励信号，vBE为响应信号，则,跨导,(9-2-1),(9-2-2),(9-2-3),9.2.2 跨导线性环路原理,9.2 跨导线性电路,跨导线性电路-具有跨导线性特性的电路。,跨
6、导线性环路-仅具有正偏发射结构且满足下列条件的跨导线性电路：,(1)正偏发射结数目为偶数；,(2)顺时针（CW）和逆时针(CCW)排列的正偏发射结数目相等。,9.2 跨导线性电路,1,图中各发射结均正偏，Je1、Je2顺时针，Je3、Je4逆时针，,依KVL可得：,vBE1+vBE2-vBE3-vBE4=0(9-2-4),TL环路方程:,(9-2-5),实际应用中，VTk可认为相同，则,(9-2-6),(9-2-7),(9-2-8),9.2.2 跨导线性环路原理,ISk=AkJSk,9.2 跨导线性电路,2,(9-2-10),Je反向饱和电流密度,Je面积,Je反向饱和电流,对于同类型BJT或
7、NPN型和PNP型的Je数目相等的TL环路，JSk相同，式(9-2-9)可写成：,(9-2-9),(9-2-11),iCk/Ak正是发射极电流密度，因而可将TL环路原理表达成：,(9-2-12),9.2.2 跨导线性环路原理,3,9.2 跨导线性电路,当考虑TL环路中发射区面积之比时,式(9-2-11)和(9-2-12)可分别表示为:,(9-2-14),(9-2-15),式中,为发射区面积比例系数,即,(9-2-16),9.2.2 跨导线性环路原理,5,含有偶数个正偏发射结(Je)闭环回路中，若(Je)CW数目与(Je)CCW数目相等，则CW排列发射极电流密度之积等于CCW排列发射极电流密度之
8、积。,9.2 跨导线性电路,P391 例9-2-1 P389 图9-2-3,设ia=2mA，ib=3mA，ic=1mA，求各发射极电流。,解：设i1=xia，依KCL可得：,i2=ib+xiai4=(1-x)iai3=ic+(1-x)ia,依TL环路原理，有,xia(ib+xia)=(1-x)iaic+(1-x)ia(9-2-18),解TL环路方程，可求得：,x=0.375,i1=0.75mA,i2=3.75mA,i3=2.25mA,i4=1.25mA,9.2.2 跨导线性环路原理,7,P391 例9-2-2 P392 图9-2-6,含有偶数个正偏发射结(Je)闭环回路中，若(Je)CW数目与
9、(Je)CCW数目相等，则CW排列发射极电流密度之积等于CCW排列发射极电流密度之积。,9.2 跨导线性电路,求iO与iX、iY之间关系式。,解：电路中含有两个TL环路。,iC1=iX-iC3iC2=iY+iC1iO=iC4=iC5,依TL环路原理，可得：,iC3=iC2,(9-2-19),由上述各式可得,(9-2-20),环1,环2,依KCL可得：,9.2.2 跨导线性环路原理,9.2.3 跨导线性环路构成的基本电流模电路,9.2 跨导线性电路,9.2.3.1 互补推挽电流模单元电路(P392 图9-2-7),(9-2-21),依KCL，可得：iC2=iC1+iI,(9-2-22),当iI=
10、0(静态时)，IC1=IC2=IB,(9-2-23),当iI0，由式(9-2-21)、(9-2-23)可解得：,(9-2-24),(9-2-25),当|iI|IB时，iC1=IB-iI/2 iC2=IB+iI/2,8,9.2.3 跨导线性环路构成的基本电流模电路,9.2 跨导线性电路,9.2.3.1 互补推挽电流模单元电路(P392 图9-2-7),甲类工作状态,当|iI|IB时，iI0,iC10,iC2iI iI0,iC20,iC1-iI,乙类工作状态,当 iI 在上述两极端值之间取值,甲乙类工作状态,iC1=IB-iI,(9-2-27),iC2=IB+(1-)iI,(9-2-26),9.2
11、.3.2 吉尔伯特电流增益单元电路,9.2 跨导线性电路,T1T4的发射结-TL环路。,差模输入电流,iId=iI1-iI2=(1-x)IQ-(1+x)IQ=-2xIQ,(9-2-29),式中，IQ为T3、T4偏流，,(一般取-0.9+0.9),为输入信号iS的电流调制指数,x=iS/IQ,依TL环路原理,可得：iC1iC3=iC2iC4,其中,iC1+iC2=2IE,iC3=(1-x)IQ,iC4=(1+x)IQ,可求得:,iC1=(1+x)IE,IC2=(1-x)IE,差模输出电流为：,iOd=iO1-IO2=(iC2+iC3)-(iC1+iC4),=-2x(IQ+IE),(9-2-30)
12、,差模电流增益为：,(9-2-31),可见，调节偏流IE或IQ，可调节Aid值。,两级电流放大电路(9-2-9)由单元电路级联而成。,10,9.2.3.2 吉尔伯特电流增益单元电路,9.2 跨导线性电路,依TL环路原理，不难求得：,iId=iI1-iI2=-2xIQ,iO1=(1-x)(IQ+IE1),iO2=(1+x)(IQ+IE1),iO3=(1-x)(1+IE1+IE2),iO4=(1+x)(1+IE1+IE2),iOd=iO3-iO4=-2x(IQ+IE1+IE2),n级电流放大电路总电流增益：,(9-2-33),(9-2-32),9.2.3.3 乘法单元电路和可变电流增益单元电路,9
13、.2 跨导线性电路,(1)一象限乘除单元电路（P394 图9-2-10）,设T1T4性能匹配，根据TL环路原理可得：,实现信号电流乘除功能,(9-2-35),(2)二象限乘法单元电路(P395 图9-2-11),9.2.3.3 乘法单元电路和可变电流增益单元电路,9.2 跨导线性电路,设T1T4性能匹配，根据TL环路原理可得：,iC1iC4=iC2iC3,(9-2-36),(1+w)IE(1-x)IQ=(1-w)IE(1+x)IQ,可求得：wx,(9-2-37),(9-2-38),电路差模输入、输出电流分别为,iId=iC3-iC4=2xIQ,iOd=iC1-iC2=2wIE=2xIE,(9-
14、2-39),-具有乘法功能,(9-2-40),电路差模电流增益为,(9-2-41),改变IE(IQ)改变Aid 可变电流增益 单元电路,(3)四象限乘法器(P396 图9-2-13),9.2.3.3 乘法单元电路和可变电流增益单元电路,9.2 跨导线性电路,图中，T1、T2与T3、T4和T5、T6-两TL环路,X通道：vX V/I iX=iX1-iX2,Y通道：vY V/I iY=iY1-iY2,设 T1T6性能匹配，根据TL环路原理，,对于T1、T2、T3、T4环路可得：,iX2y1iY1=iX1(1-y1)iY1,可求得：,6,(3)四象限乘法器(P396 图9-2-13),9.2.3.3
15、 乘法单元电路和可变电流增益单元电路,9.2 跨导线性电路,对于T1、T2、T5、T6环路可得：,差模输出电流,iOd=iO1-iO2=(iC3+iC5)-(iC4+iC6)=(iC3-iC4)+(iC5-iC6),四象限相乘功能,9.3 电流镜及电流传输器,9.3.1 电流镜 电流传输器,CCI的特性及其电路 CCII的特性及其电路 集成电流传输器及其应用,9.3.1 电流镜(电流源电路，中已作讨论),9.3 电流镜及电流传输器,9.3.1.1 电流镜的频率特性,分析方法与放大电路频率特性分析方法相同,9.3.1.2 专用电流镜,图(a)改变T3a、T3b的偏流来控制电流镜比M,(1)可变比
16、电流镜(P399 图9-3-4),图(b)可控电阻Rea、Reb取代图(a)的Ia、Ib。,11,9.3.1 电流镜(电流源电路，中已作讨论),9.3 电流镜及电流传输器,9.3.1.1 电流镜的频率特性,分析方法与放大电路频率特性分析方法相同,9.3.1.2 专用电流镜,(1)可变比电流镜(P399 图9-3-4),12,9.3.1 电流镜(电流源电路，中已作讨论),9.3 电流镜及电流传输器,9.3.1.1 电流镜的频率特性,分析方法与放大电路频率特性分析方法相同,9.3.1.2 专用电流镜,(1)可变比电流镜(P399 图9-3-4),图(c)调节偏流Ia、Ib来控制T1、T2两基极间差
17、动电压。,(2)大电流比电流镜(P400 图9-3-5),设T1T5的发射结面积分别为A1A5,利用TL环路原理，可确定电流镜比。,9.3.1 电流镜(电流源电路，中已作讨论),9.3 电流镜及电流传输器,9.3.1.1 电流镜的频率特性,分析方法与放大电路频率特性分析方法相同,9.3.1.2 专用电流镜,(9-3-4),(9-3-5),图(a),图(b),(3)高输出电阻电流镜(P400 图9-3-6),9.3.1 电流镜(电流源电路，中已作讨论),9.3 电流镜及电流传输器,9.3.1.1 电流镜的频率特性,分析方法与放大电路频率特性分析方法相同,9.3.1.2 专用电流镜,特点：动态输出
18、电阻ro取决于发射区面积的,T5的VC5=几百mV时，IO可以达到1mA,(4)互补型双向电流镜(P400 图9-3-7),可看成是两个背靠背具有射随器的电流镜,9.3.1 电流镜(电流源电路，中已作讨论),9.3 电流镜及电流传输器,9.3.1.1 电流镜的频率特性,分析方法与放大电路频率特性分析方法相同,9.3.1.2 专用电流镜,9.3.2 电流传输器(CC),9.3 电流镜及电流传输器,三端口网络(P401 图9-3-8),两种模式,CC I,CC II,9.3.2.1 CCI的特性及其电路,工作特性：若Y端 vY，则X端 vX=vY；,若X端 iX，则Y端 iY=iX且iZ=iX=i
19、Y,(恒流输出),即：*X端电位取决于Y端电位，与iX无关X端具有“虚短”输入特性；,*Y端电流取决于X端电流，与vY无关Y端具有“虚断”输入特性；,*Z端电流与X端电流相等Z端具有高输出电阻恒流输出特性,CCI的输入-输出特性的矩阵方程描述 式(9-3-6),即：iY=iX,vX=vY,iZ=iX,CCI特性-零子-任意子表示法(P401 图9-3-9),9.3 电流镜及电流传输器,零子-端子间电压及电流均为零的二端电路元件。,任意子-端子间电压及电流均为任意值的二端电路 元件。,CCI基本电路(P402 图9-3-10),设T1T5很大，T1、T2匹配；T3T5匹配，且射极电阻相等，电流也
20、相同，使T1、T2的电流及VBE均相等。,由电路可知，X、Y端均为低阻输入端，两端电流和电压互相跟踪，,输出端 iZ=iX=iZ，ro很大-CCI电路。,零子,任意子,CCI甲乙类电路(P402 图9-3-11),由两个互补CCI基本电路构成。,T1T4-TL环路；T5T7-PNP管基本电流镜；,T8T10-NPN管基本电流镜。,9.3 电流镜及电流传输器,当输入信号电流流入X、Y端时，T2、T4、T8T10工作，输出信号电流从Z端流入,当输入信号电流从X、Y端流出时，T1、T3、T5T7工作，输出电流从Z端流出,当输入双极性信号时，电路工作于甲乙类状态。,高精度宽频带CCI(P402 图9-
21、3-12),9.3 电流镜及电流传输器,T1T4-TL环路,T5T10-PNP管威尔逊电流镜,T11T16-NPN管威尔逊电流镜,引出端16不同连接方式实现不同电路功能。,如P403 图9-3-13,图中，3、4两端接地，v3、4=0，根据CCI特性(1端与3、4端同电位)，1端 v1=0。,当vI=0，CCI内静态电流IR为,(9-3-7),若VEE=15V VBE=0.7V R3=13.6K，则可得IR=1mA,13,高精度宽频带CCI(P402 图9-3-12),9.3 电流镜及电流传输器,当vI0，,(9-3-8),若vI0,iI0,T3、T4的电流，T11、T12、T15、T16的电
22、流。,iO=iI0,(补偿由于T9、T10电流，导致T15、T16电流，T15、T16的电流增益。),若vI0,iI0,则iO=iI0,vO=-iORL=-iOR2,(9-3-9),(9-3-10),反相放大,图中，3、4两端接地，v3、4=0，根据CCI特性(1端与3、4端同电位)，1端 v1=0。,(9-3-11),9.3.2.2 CC的特性及其电路,9.3 电流镜及电流传输器,CC特性与CCI相比：iY=0，Y端RiY，,iY,iZ,vX,=,1 0 0,0 1 0,=,vY,vZ,iX,的输入-输出特性矩阵方程描述,(9-3-6),CC,0,CCI,1,0,0,由9311可知，iY=0
23、，呈现无穷大的输入阻抗；而vX=vY,呈现零输入阻抗；iZ=iX，即Z端的电流iZ有两种极性。当iZ=iX时CC+型；当iZ=-iX时CC-型。,CC可用左图所示的零子任意子表示法。,理想运放A-线性应用状态：两输入端“虚短”、“虚断”：iY=0,vX=vY,iZ=-iX(iZ只能单向流),CC+型电路(P403 图9-3-16),互补管T1、T2与T3T6构成互补对电流镜作理想运放A负反馈环路。,9.3 电流镜及电流传输器,iX0(流入)：T1、T3、T4电流；,T2、T5、T6电流iZ=iX0；,iX0(流出)：T2、T5、T6电流；,T1、T3、T4电流iZ=iX0,9.3.2.3 集成
24、电流传输器及其应用,9.3 电流镜及电流传输器,应用时：,若5、6脚短接作Y端，7脚为X端,若5脚作Y端(不与6脚短接)，7脚作X端,CC模式,CCI 模式,PA630A应用例,9.3 电流镜及电流传输器,(1)PA630A反相CCI模式(P406 图9-3-21),5、6脚短接Y端接地-CCI模式，7脚为“虚地”；,10、11脚短接-接RL，输出vo。(内缓冲放大没利用),静态电流IQ取决于R3值。电流镜实为带射极电阻Re的Wilson电流镜(2VBE),(9-3-14),动态：,(2)PA630A同相CC模式(P406 图9-3-22),9.3 电流镜及电流传输器,5脚Y端，vY=vi，(
25、iY=0，6脚经R4、R5接负电压)；,7脚X端，vX=vY=vi。,静态电流IQ按式(9-3-14)计算可推知：,电流传输器在运算电路中的应用见表9-3-1(P407),9.4 电流模集成运算放大器与乘法器,9.4.1 电流模集成运算放大器 电流模集成乘法器,9.4 电流模集成运算放大器与乘法器,9.4.1 电流模集成运算放大器,图9-4-1所示为集成运放OP-160(或OP-260)的原理电路。转换速率SR=1300V/s，增益G=1时，BW=90MHz,OP-160由输入缓冲级、互阻增益级、互补输出级三级电路组成。T1T6够成构成单位电流增益输入缓冲级，T1、T2和T3、T4分别构成两路
26、有源负载射级输出输入电路。T5和T6为输入缓冲级的甲乙类互补输出电路。T7、T9、T10构成上威尔逊精密电流镜。T8、T11、T12够成下威尔逊精密电流镜。,201,9.4 电流模集成运算放大器与乘法器,9.4.1 电流模集成运算放大器,9.4.2 电流模集成乘法器,9.4 电流模集成运算放大器与乘法器,图9-4-2所示为集成乘法器AD734的简化原理电路。它的精度为0.1%，BW=40MHz,在电路设计上，图9-4-2所示电路与节的图5-4-5所示电路比较有三处重大的改进：,增设有源负载负反馈网络Z放大电路，以减小电路非线性失真,在X、Y和Z的差动输入电压-电流变换器的前端，分别增加了差动 输入差动输出的接口电路XIF、YIF、ZIF，使各电压-电流变换器 的非线性误差减少一个数量级,采用高稳定性基准电压源和具有温度补偿的稳定偏置电流源 并增设了控制分母电压U，即控制乘法器增益系数 KM=1/U的电路，分母电压U的外电路控制图如图9-4-3,191,9.4.2 电流模集成乘法器,9.4 电流模集成运算放大器与乘法器,9.4.2 电流模集成乘法器,9.4 电流模集成运算放大器与乘法器,
